环境温度及负荷率对燃气-蒸汽联合循环热电联产机组性能的影响

祖航，王秋颖

(东南大学 能源与环境学院，南京 210096)

0 引言

不同于传统燃煤电厂，燃气-蒸汽联合循环发电能够有效促进能源的梯级利用，提高循环效率，具有启停速度快、调峰能力强、环保等优点，有较大的市场容量，今后将成为占据市场重要地位的火力发电方式[1]。热电联产是燃料热能的有效使用，避免一些能量被当作废热丢弃，可进一步提高联合循环机组运行的经济性[2]。随着越来越多的燃气-蒸汽联合循环机组投入运行，精准地了解机组的特性，对于指导运行人员调整运行状态、降低运行成本、节约能源、实现联合循环机组经济运行具有重要意义。国内外学者对此开展了大量的研究工作，对联合循环性能分析的方法主要有理论分析法和仿真建模分析法[3]，通过深入研究机组变工况运行性能，开展机组动态特性分析以及经济性分析，探索机组的节能潜力。杨承等人[4]研究了不同抽汽系数和进口导叶(IGV)开度下，燃气轮机负荷变化对热电联产系统性能和评价指标的影响。白子为等人[5]针对现存PG9351FA燃气轮机对应的燃气-蒸汽联合循环，分析了3类调节方案下燃气轮机循环、蒸汽轮机循环和联合循环的变工况特性。

本文以GE公司在燃气轮机行业内运行经验最丰富的 F 级燃气轮机为例，分析燃气-蒸汽联合循环热电联产机组在不同环境温度和燃气轮机负荷率下的运行特性，以利于该燃气轮机在实际生产中得到更好的应用，也为研究多台机组间的热/电负荷优化调度和经济运行提供理论支持。

1 机组概况和热力系统

1.1 6F.01燃气轮机概况

GE公司F级燃气轮机全球应用广泛，截至2017年4月，已投运机组有12 000 多台，有累计运行5 000万h和启动100万次的业绩，6F燃气轮机目前在国内共有近30台机组，全球近200台。6F.01燃气轮机在ISO工况下(环境温度为15 ℃，大气压力为101 325 Pa)性能参数见表1。其出力与6B机组接近，均属于中小型机组，但具有先进的性能和较高的可靠性。6F.01燃气轮机借鉴GE公司发动机和9H燃气轮机压气机的设计，采用高压比的12级轴流压气机，IGV和1，2级静叶共3级可调，可改善部分负荷效率，易于检修和维护。它使用单晶材料和先进的冷却技术以及密封技术，透平进口温度可达1 350 ℃，排气温度在ISO工况下为603 ℃，相比目前已知的同等或较小容量的机型，循环效率高，非常适用于中小型热电联产和分布式能源项目。

表1 6F.01燃气轮机主要性能参数

1.2 热力系统

燃气-蒸汽联合循环热电联产热力系统结合了燃气轮机布雷顿循环高温加热和蒸汽轮机朗肯循环低温排热损失少的优势，实现了能源的有效利用[6]，其流程如图1所示[2]。

热力系统由顶部循环和底部循环2部分组成，顶部循环为燃气轮机发电机组(图1中A)，底部循环过程为余热锅炉(图1中B)和蒸汽轮机等(图1中C)组成的蒸汽轮机发电供热机组。空气经压缩后在燃烧室中与燃料(气体燃料或液体燃料)混合后燃烧，产生的高温高压燃气经过燃气透平膨胀做功后排向余热锅炉，加热给水产生的高温高压蒸汽进入蒸汽轮机做功带动发电机发电，部分经过减温减压的蒸汽被送入供热联箱进行供热。系统配套双压无再热式余热锅炉，产生高、低压2种参数的蒸汽，蒸汽轮机为抽凝式机组。此联合循环机组为供热、调峰运行机组，在供热或用电高峰期根据需要转换运行模式。

图1 燃气-蒸汽联合循环热力系统流程

2 环境温度对机组性能的影响

2.1 环境温度对顶部循环的影响

大气环境变化对动力装置的安全高效运行具有很大的影响，燃气轮机对环境温度的变化尤其敏感[7]。从图2和图3可见，随着环境温度的升高，燃气轮机发电功率和效率大幅度减小。这是因为环境温度上升会使空气密度减小，在吸入相同体积空气时质量流量减少，对应条件下燃料量减少；同时，压气机耗功量与环境温度成正比，随着环境温度的升高，压气机压比和温比将有所下降，燃气轮机排气温度升高，排气流量下降，最终使得燃气轮机发电功率和燃气轮机效率都发生改变[8-9]。

2.2 环境温度对底部循环的影响

底部循环过程中产生2种参数的蒸汽，低压蒸汽流量和温度约为高压蒸汽的11%和46%。高压蒸汽作为主蒸汽决定了底部循环的热力性能，受金属材料温度限制，主蒸汽温度到达565 ℃后维持不变。燃气轮机排气流量和排气温度是决定主蒸汽流量和温度的关键因素，燃气轮机排气温度升高虽然降低了燃气透平做功量，但有益于底部循环吸热。如图4所示，受主蒸汽温度和流量的共同影响，在燃气轮机100%和75%负荷率条件下，较低温度时蒸汽轮机发电功率有所上升，随着环境温度的升高，蒸汽轮机发电功率下降，趋势从缓慢变得较为明显；燃气轮机50%负荷率下，随着环境温度的升高，蒸汽轮机发电功率持续下降。

图2 燃气轮机发电功率随环境温度变化规律

图3 燃气轮机效率随环境温度变化规律

图4 蒸汽轮机发电功率随环境温度变化规律

2.3 环境温度对联合循环的影响

联合循环发电功率和效率受顶部循环和底部循环的双重影响，其变化趋势如图5所示。随着环境温度的升高，由于燃气轮机和蒸汽轮机发电功率同步降低，使得联合循环发电功率下降更为显著。当环境温度改变时，受底部循环凝汽器压力变化等因素的影响，存在最佳环境温度，使得联合循环效率取得最大值。从图6可看出，燃气轮机负荷率为100%和75%状态下，当环境温度≤15 ℃时，联合循环效率与环境温度成正相关，环境温度>15 ℃时成反相关，50%负荷率下，联合循环效率维持下降趋势。

图5 联合循环发电功率随环境温度变化规律

图6 联合循环效率随环境温度变化规律

3 联合循环变负荷性能分析

3.1 负荷率变化对输出功率的影响

热电联产机组运行时，经常要根据用户实际需要改变发电负荷和供热负荷。图7为环境条件为性能保证工况时，燃气轮机4种负荷率下联合循环发电功率随着供热量的变化。

从图7可以看出，在4种负荷率运行状态下，随着供热量的增加，联合循环发电功率呈线性下降，并且下降斜率接近相同。机组从供热量为0调整到最大供热量时对应的联合循环功率差值发生变化，机组的调峰能力分别为11.39，10.00，8.80，7.10 MW。由此可见，燃气轮机负荷率降低不仅导致发电功率降低，同时还会减小汽轮机的可运行功率范围，即降低机组的调峰能力[10]。

3.2 负荷率变化对循环效率的影响

由图8可以看出，供热量增加，联合循环效率会随之上升，这是因为增加的供热量可以降低冷源损失，减少天然气消耗量，从而提高联合循环效率[11]。每个负荷率所对应的效率上升速率各不相同，随着供热量的增加，存在某一临界值，使得在相同供热量条件下联合循环效率与负荷率成负相关，不同环境温度对应的临界供热量不同。当供热量小于15.5 t/h时，负荷率与联合循环效率成正比，100%负荷率下循环效率最高；供热量超过25.8 t/h后，负荷率与联合循环效率成反比，30%负荷率下循环效率最高。

图7 供热工况下燃气轮机变负荷对功率的影响

图8 供热工况下燃气轮机变负荷对效率的影响

4 结论

本文以GE公司6F燃气-蒸汽联合循环热电联产机组为例，分析不同环境温度和燃气轮机负荷率对机组运行特性的影响，得出以下结论。

(1)环境温度升高会降低燃气轮机输出功率和运行效率，联合循环功率降低趋势明显。满负荷时，由于底循环的影响，存在最佳环境温度，使得联合循环效率取得最大值。

(2)燃气轮机负荷率的下降会缩小供热范围和降低发电量，减弱联合循环机组的调峰能力。

(3)随着供热量的增加，存在一临界点，使得在相同供热量条件下联合循环效率与燃气轮机负荷率成反比。

鉴于GE燃气轮机在全球的广泛应用，本文的相关分析有利于更好地了解GE 6F 级燃气轮机性能和参数变化特点，使其在中小型热电联产和分布式能源项目中得到更好的应用。同时，所得结论也可为研究多台机组间的热/电负荷优化调度和经济运行提供理论支持。